Propelente composto de perclorato de amônio

O propelente composto de perclorato de amônio ( APCP ) é um combustível de foguete de propelente sólido . Ele difere de muitos propulsores sólidos tradicionais de foguetes , como pólvora negra ou zinco-enxofre , não apenas na composição química e no desempenho geral, mas também pela natureza de como é processado. O APCP é moldado em forma, em oposição à prensagem de pó como com o pó preto. Isso fornece regularidade de fabricação e repetibilidade, que são requisitos necessários para uso na indústria aeroespacial.

Usos

O propelente composto de perclorato de amônio é tipicamente para propulsão de foguetes aeroespaciais, onde simplicidade e confiabilidade são desejadas e impulsos específicos (dependendo da composição e pressão operacional ) de 180–260 s (1,8–2,5 km/s) são adequados. Devido a esses atributos de desempenho, o APCP tem sido usado nos foguetes de reforço sólido do ônibus espacial , assentos ejetáveis de aeronaves e aplicações especiais de exploração espacial, como os retrofoguetes de estágio de descida do Mars Exploration Rover da NASA . Além disso, o foguete de alta potênciaA comunidade usa regularmente o APCP na forma de "recargas" de propelentes disponíveis comercialmente, bem como motores de uso único. Rocketeers experimentais e amadores também costumam trabalhar com APCP, processando o próprio APCP.

Composição

Visão geral

O propelente composto de perclorato de amônio é um propelente composto, o que significa que possui combustível e oxidante combinados em uma mistura homogênea, neste caso com um aglutinante de borracha como parte do combustível. O propelente é mais frequentemente composto de perclorato de amônio (AP), um aglutinante de elastômero , como polibutadieno terminado em hidroxila (HTPB) ou pré-polímero de acrilonitrila de ácido acrílico polibutadieno (PBAN), metal em pó (normalmente alumínio ) e vários catalisadores de taxa de queima . Além disso, os aditivos de cura induzem a reticulação do aglutinante de elastômeropara solidificar o propulsor antes de usar. O perclorato serve como oxidante , enquanto o aglutinante e o alumínio servem como combustível . Os catalisadores de taxa de queima determinam a rapidez com que a mistura queima. O propulsor curado resultante é bastante elástico (emborrachado), o que também ajuda a limitar a fratura durante danos acumulados (como transporte, instalação, corte) e aplicações de alta aceleração , como hobby ou foguetes militares. Isso inclui as missões do ônibus espacial , nas quais o APCP foi usado para os dois SRBs.

A composição do APCP pode variar significativamente, dependendo da aplicação, características de queima pretendidas e restrições, como limitações térmicas do bocal ou impulso específico (Isp). Proporções de massa aproximadas (em configurações de alto desempenho) tendem a ser de cerca de 70/15/15 AP/HTPB/Al, embora "baixa fumaça" de alto desempenho possa ter composições de aproximadamente 80/18/2 AP/HTPB/Al. Embora o combustível metálico não seja necessário no APCP, a maioria das formulações inclui pelo menos alguns por cento como estabilizador de combustão, opacificador de propelente (para limitar o pré-aquecimento excessivo do propelente infravermelho ) e aumenta a temperatura dos gases de combustão (aumentando Isp).

espécies comuns

Oxidantes:

Perclorato de amônio como oxidante primário
Catalisadores de óxido de metal como oxidantes de termita

Combustíveis de alta energia:

Alumínio (alto desempenho, mais comum)
Magnésio (rendimento médio)
Zinco (baixo desempenho)

Combustíveis de baixa energia atuando como aglutinantes:

Polibutadieno terminado em hidroxila (HTPB)
Polibutadieno terminado em carboxila (CTPB)
Polibutadieno acrilonitrila (PBAN)

Considerações Especiais

Embora o aumento da proporção de metal-combustível para oxidante até o ponto estequiométrico aumente a temperatura de combustão, a presença de uma fração molar crescente de óxidos metálicos, particularmente óxido de alumínio (Al ₂ O ₃ ) precipitando da solução gasosa cria glóbulos de sólidos ou líquidos que diminuem a velocidade do fluxo à medida que a massa molecular média do fluxo aumenta. Além disso, a composição química dos gases muda, variando a capacidade térmica efetiva do gás. Devido a esses fenômenos, existe uma composição não estequiométrica ótima para maximizar o Isp de aproximadamente 16% em massa, assumindo que a reação de combustão se completa dentro docâmara de combustão .

O tempo de combustão das partículas de alumínio no gás de combustão quente varia dependendo do tamanho e da forma das partículas de alumínio. Em pequenos motores APCP com alto teor de alumínio, o tempo de residência dos gases de combustão não permite a combustão completa do alumínio e, portanto, uma fração substancial do alumínio é queimada fora da câmara de combustão, levando à diminuição do desempenho. Este efeito é muitas vezes mitigado reduzindo o tamanho das partículas de alumínio, induzindo turbulência (e, portanto, um longo comprimento de caminho característico e tempo de residência) e/ou reduzindo o teor de alumínio para garantir um ambiente de combustão com maior potencial líquido de oxidação, garantindo alumínio mais completo combustão.

Tamanho da partícula

A distribuição do tamanho da partícula do propelente tem um impacto profundo no desempenho do motor do foguete APCP. Partículas menores de AP e Al levam a uma maior eficiência de combustão, mas também levam a um aumento da taxa de queima linear. A taxa de queima é fortemente dependente do tamanho médio de partícula do AP, pois o AP absorve calor para se decompor em um gás antes que possa oxidar os componentes do combustível. Este processo pode ser uma etapa limitante da taxa de combustão geral do APCP. O fenômeno pode ser explicado considerando a relação fluxo de calor para massa: à medida que o raio da partícula aumenta, o volume (e, portanto, a massa e a capacidade de calor) aumenta com o cubo do raio. No entanto, a área da superfície aumenta com o quadrado do raio, que é aproximadamente proporcional ao fluxo de calor na partícula. Portanto, uma partícula'

As formulações comuns de APCP exigem partículas de AP de 30 a 400 µm (geralmente esféricas), bem como partículas de Al de 2 a 50 µm (geralmente esféricas). Devido à discrepância de tamanho entre o AP e o Al, o Al geralmente assume uma posição intersticial em uma pseudo-rede de partículas AP.

Características

Geométrico

O APCP deflagra da superfície do propulsor exposto na câmara de combustão. Desta forma, a geometria do propulsor dentro do motor-foguete desempenha um papel importante no desempenho geral do motor. À medida que a superfície do propelente queima, a forma evolui (um assunto de estudo em balística interna), na maioria das vezes alterando a área da superfície do propelente exposta aos gases de combustão. O fluxo de massa (kg/s) [e, portanto, a pressão] dos gases de combustão gerados é uma função da área de superfície instantânea (m ² ), densidade do propelente (kg/m ³ ) e taxa de queima linear (m/s): $A_{\text{s}}$ $\rho$ $b_{r}$

{\dot {m}}=\rho A_{\text{s}}b_{r}

Várias configurações geométricas são freqüentemente usadas, dependendo da aplicação e da curva de empuxo desejada :

Simulação de furo circular
Simulação de slot C
Simulação de queimador de lua
Simulação de finocil de 5 pontos

Furo circular: se estiver na configuração BATES , produz uma curva de empuxo progressiva-regressiva.
Queimador final: o propelente queima de uma extremidade axial para outra, produzindo uma queima longa e constante, embora tenha dificuldades térmicas, mudança de CG.
C-slot: propulsor com grande cunha cortada na lateral (ao longo da direção axial), produzindo empuxo regressivo bastante longo, embora tenha dificuldades térmicas e características assimétricas de CG.
Queimador de lua: furo circular fora do centro produz queima longa progressiva-regressiva, embora tenha características CG ligeiramente assimétricas.
Finocyl: geralmente uma forma de estrela de 5 ou 6 pernas que pode produzir impulso muito nivelado, com queima um pouco mais rápida do que o furo circular devido ao aumento da área de superfície.

taxa de queima

Embora a área da superfície possa ser facilmente ajustada por um projeto geométrico cuidadoso do propelente, a taxa de queima depende de vários fatores sutis:

Composição química do propelente.
AP, Al, tamanhos de partícula aditivos.
Pressão de combustão.
Características de transferência de calor .
Queima erosiva (fluxo de alta velocidade passando pelo propelente).
Temperatura inicial do propulsor.

Em resumo, no entanto, a maioria das formulações tem uma taxa de queima entre 1–3 mm/s em STP e 6–12 mm/s em 68 atm. As características de queima (como taxa de queima linear) são frequentemente determinadas antes da queima do motor do foguete usando um teste de queimador de fio . Este teste permite ao fabricante do APCP caracterizar a taxa de queima em função da pressão. Empiricamente, o APCP adere razoavelmente bem ao seguinte modelo de função de potência:

b_{r}=ap^{n}

Vale a pena notar que normalmente para APCP, n é 0,3–0,5, indicando que APCP é subcriticamente sensível à pressão. Ou seja, se a área da superfície fosse mantida constante durante uma queima, a reação de combustão não iria para (teoricamente) infinita, pois a pressão atingiria um equilíbrio interno. Isso não quer dizer que o APCP não possa causar uma explosão , apenas que não detonará. Assim, qualquer explosão seria causada pela pressão superior à pressão de ruptura do recipiente (motor foguete).

Aplicações de foguetes modelo/de alta potência

Um lançamento de foguete de alta potência usando um motor APCP

Motores de foguete APCP comerciais geralmente vêm na forma de sistemas de motores recarregáveis (RMS) e motores de foguete de uso único totalmente montados. Para o RMS, os " grãos " APCP (cilindros de propelente) são carregados na carcaça reutilizável do motor junto com uma sequência de discos isolantes e o-rings e um bocal ( resina fenólica com enchimento de vidro ou grafite ). A carcaça e os fechos do motor são normalmente comprados separadamente do fabricante do motor e geralmente são usinados com precisão em alumínio. O RMS montado contém componentes reutilizáveis (normalmente de metal) e descartáveis.

Os principais fornecedores de APCP para uso hobby são:

Aerotech Consumidor Aeroespacial
Tecnologia Cesaroni
Pesquisa de Loki
Gorilla Rocket Motors

Para obter diferentes efeitos visuais e características de voo, os fornecedores de APCP oferecem uma variedade de diferentes tipos de propulsores característicos. Estes podem variar de queima rápida com pouca fumaça e chama azul até fumaça branca clássica e chama branca. Além disso, formulações coloridas estão disponíveis para exibir vermelho, verde, azul e até fumaça preta.

Nas aplicações de foguetes de média e alta potência, o APCP substituiu amplamente a pólvora negra como propelente de foguetes. Lesmas de pólvora negra compactadas tornam-se propensas a fraturas em aplicações maiores, o que pode resultar em falha catastrófica em veículos-foguete. As propriedades do material elástico do APCP o tornam menos vulnerável a fraturas causadas por choques acidentais ou voos de alta aceleração. Devido a esses atributos, a ampla adoção do APCP e tipos de propulsores relacionados no hobby aumentou significativamente a segurança dos foguetes.

Preocupações ambientais e outras

A exaustão dos motores de foguete sólidos APCP contém principalmente água , dióxido de carbono , cloreto de hidrogênio e um óxido de metal (normalmente óxido de alumínio ). O cloreto de hidrogênio pode facilmente se dissolver na água e criar ácido clorídrico corrosivo . O destino ambiental do cloreto de hidrogênio não está bem documentado. O componente de ácido clorídrico da exaustão do APCP leva à condensação da umidade atmosférica na pluma e isso aumenta a assinatura visível do rastro. Essa assinatura visível, entre outras razões, levou à pesquisa de propelentes de queima mais limpa sem assinaturas visíveis. Os propulsores de assinatura mínima contêm principalmente moléculas orgânicas ricas em nitrogênio (por exemplo,ammonium dinitramide ) e dependendo de sua fonte oxidante pode ser mais quente do que os propelentes compostos APCP.

Regulação e legalidade

Nos Estados Unidos, o APCP para uso como hobby é regulado indiretamente por duas agências não governamentais: a National Association of Rocketry (NAR) e a Tripoli Rocketry Association (TRA). Ambas as agências estabelecem regras sobre a classificação de impulso de motores de foguete e o nível de certificaçãoexigido por foguetes para comprar certos motores de impulso (tamanho). O NAR e o TRA exigem que os fabricantes de motores certifiquem seus motores para distribuição a fornecedores e, em última análise, a amadores. O fornecedor é responsável pela responsabilidade (pelo NAR e TRA) de verificar se os amadores têm certificação de foguete de alta potência antes que uma venda possa ser feita. A quantidade de APCP que pode ser comprada (na forma de uma recarga de motor de foguete) está relacionada à classificação de impulso e, portanto, a quantidade de APCP comprável por um hobby (em qualquer kit de recarga) é regulada pelo NAR e TRA.

A legalidade abrangente relativa à implementação do APCP em motores de foguete é descrita na NFPA 1125. O uso do APCP fora do hobby é regulamentado pelos códigos de incêndio estaduais e municipais. Em 16 de março de 2009, foi decidido que o APCP não é um explosivo e que a fabricação e o uso do APCP não exigem mais uma licença ou permissão do ATF . ^[1]

notas de rodapé

^ 07 DE JULHO DE 2009 CARTA ABERTA A TODOS OS LICENCIADOS E PERMITIDOS DE EXPLOSIVOS FEDERAIS

Referências

Elementos de propulsão de foguetes. Suton, George P.
Propulsores Sólidos Experimentais Amadores por Richard Nakka
Taxa de queima de propelente sólido por Richard Nakka
Introdução à Propulsão Sólida por Graham Orr, Harvey Mudd College Experimental Engineering
Documentos do processo BATFE, 2002–presente, Tripoli Rocketry Association